含混合儲能的冷熱電聯供系統運行策略及容量配置

崔樹銀, 常 嘯, 陸 奕

(上海電力大學經濟與管理學院，上海 200090)

隨著社會經濟的不斷發展，能源開發與環境保護間的矛盾日益凸顯，如何在環境友好的前提下提高能源使用率成為世界各國和相關組織關注的重點[1]。在此背景，習總書記提出能源革命發展理念，明確國家能源安全戰略，積極推動能源生產和消費革命[2]。

能源行業是節能減排的主力軍，發展分布式能源對于低碳經濟的實現和人類的可持續發展都具有重要的意義[3-4]。目前，針對冷熱電聯供(combined cooling heating and power，CCHP)系統優化研究已取得了一定進展。文獻[5-6]以CCHP系統綜合效益最優為目標函數，探討引入能源價格和不同負荷結構的影響；文獻[7-8]通過分析含儲能裝置的CCHP系統，驗證儲能裝置有效提高系統經濟效益；文獻[9-10]以CCHP系統運行成本最低為優化目標，考慮分布式發電的不確定性，分析系統儲能容量最優配置及運行策略；文獻[11]建立了全壽命周期的CCHP儲能調度規劃雙層優化模型，討論CCHP配置不同類型儲能的經濟性和可行性；文獻[12]針對含儲能的CCHP系統運行可靠性和經濟性建立優化模型，通過蒙特卡羅模擬法驗證算例得出最佳儲能容量；文獻[13]基于不同季節典型日光伏處理和負荷特性曲線，建立經濟-環境效益最大化的區域綜合能源系統容量配置優化模型；文獻[14]提出一種基于頻譜分析確定混合儲能系統(hybrid energy storage system，HESS)容量配置的方法，并基于此確定儲能最優運行策略。上述文獻大多僅從經濟性分析含儲能的CCHP系統容量配置，而CCHP系統涉及冷、熱、電三種能量形式間的耦合關系，僅從經濟性角度不能客觀準確評估儲能容量配置對CCHP系統優化運行的影響。因此，從能源性、經濟性、環境性三方面分析儲能容量配置對CCHP系統運行策略和綜合效益的影響。

1 系統結構與設備建模

冷熱電聯供系統作為分布式綜合能源系統最直觀的體現形式，其能源綜合利用率可達到80%左右，采用科學合理的系統運行策略和設備配置對于推動能源結構轉型、推進中國能源革命具有重要意義。所建含混合儲能的CCHP系統結構如圖1所示。

圖1 CCHP系統結構及能量流動圖

1.1 燃氣輪機模型

燃氣輪機(gas turbine，GT)。多以天然氣為燃料，通過高品質的熱能驅動燃氣輪機發電。其數學模型為

ηgt=(aβ3+bβ2+cβ+d)/100

(1)

(2)

(3)

式中：ηgt為燃氣輪機發電效率；ηl為熱損失系數，取值0.06；Qgt(t)為燃氣輪機單位時間可回收余熱量；Pgt(t)為燃氣輪機單位時間發電功率；Δt為時間間隔，為1 h；Vgt(t)為單位時間天然氣消耗量；Lng為天然氣熱值，一般取9.7 kW·h/m3；β為機組負荷率；a、b、c、d為正常數，分別取值a=17.989、b=-27.081、c=33.157、d=8.935。

1.2 吸收式冷/熱機組模型

吸收式冷/熱機組是指通過余熱鍋爐(heat recovery boiler，HRB)和吸收式制冷機(absorption chiller，AC)回收利用低品質熱能轉換為可利用熱能、冷能，其數學模型為

(4)

式(4)中：ηrec為煙氣余熱回收率，取ηrec=0.75；Pgt-he(t)和Pgt-co(t)為余熱回收利用機組提供的制熱量、制冷量；Phe和Pco為余熱回收利用機組的制熱、制冷系數，分別取值0.9和1.2。

1.3 混合儲能裝置模型

儲能裝置是CCHP系統重要補充部分，理論上只要儲能裝置容量足夠大且響應速度足夠快，就可以實現分布式能源系統內部能量平衡，保障系統穩定運行。考慮儲能裝置充放電損耗、儲能功率約束、使用壽命、投資成本等因素[14]，采用由蓄電池組和超級電容器組成的混合儲能裝置，其數學模型為

(6)

式中：E(t)和E(t-1)分別為在t時段和t-1時段內的儲能裝置能量；δ為儲能裝置的自損率，取值0.04；Pes(t)為儲能裝置充放電功率，放電取正值，充電取負值；ηch和ηdis為儲能裝置充放電效率，取值0.9。

1.4 電制冷/熱機組模型

電制冷/熱機組是指通過空調或電暖器等設備將電能轉換為冷能、熱能，其數學模型為

Peh,out(t)=Peh,in(t)ηeh

(7)

Pec,out(t)=Pec,in(t)ηec

(8)

式中：Pec,out(t)和Peh,out(t)分別為電制冷/熱裝置的輸出功率；Pec,in(t)和Peh,in(t)分別為電制冷/熱裝置的輸入功率；ηec和ηeh分別為電制冷/熱裝置的能耗比，分別取2.7和3.3。

2 含混合儲能的冷熱電聯供系統容量配置優化模型

2.1 目標函數

由于多目標函數權重系數的選取對優化結果影響較大，因此，從能源性、經濟性、環境性三方面分析儲能容量配置對CCHP系統運行策略和綜合效益的影響。

2.1.1 能源性指標：系統一次能源消耗系數

(9)

式(9)中：λg為天然氣的一次能源轉換系數，取值為1.47；λe為電網購電的一次能源轉換系數，取3.36；s為典型日類數；Ts為第s類典型日全年持續天數。

2.1.2 經濟性指標：系統運行成本

f2(x)=Ce

(10)

Ce=Cpgt+Cpeg

(11)

(12)

(13)

式中：Ce為系統年運行成本；Cpgt為購買天然氣燃料成本；Cpeg為電網購電成本，Cgt(t)為天然氣價；Ceg(t)為電價。

2.1.3 環境性指標：系統二氧化碳排放量

(14)

式中：μg和μe為天然氣和電網購電的二氧化碳排放系數，分別取μg=0.428 kg/(kW·h)、μe=0.928 kg/(kW·h)。

2.2 約束條件

2.2.1 設備運行約束

各設備應滿足功率上下限要求：

Pimin≤Pi≤Pimax

(15)

式(15)中：Pi為第i個設備的運行功率；Pimax和Pimin分別為第i個設備額定功率上下限。

2.2.2 電功率平衡約束

Pgt(t)+Pes(t)+Pdisnet(t)=PLoad(t)+Pec,in(t)+

Peh,in(t)

(16)

式(16)中：Pdisnet(t)為系統購電功率；Pload(t)為系統電負荷需求功率。

2.2.3 熱功率平衡約束

Pgt-he(t)+Peh,out(t)=Pheat(t)

(17)

式(17)中：Pheat(t)為系統熱負荷需求功率。

2.2.4 冷功率平衡約束

Pgt-co(t)+Pec,out(t)=Pcold(t)

(18)

式(18)中：Pcold(t)為系統中冷負荷的需求功率。

2.2.5 儲能裝置容量約束

Pchmax≤Pes(t)≤Pdismax

(19)

0≤E(t)≤Emax

(20)

式中：Pes(t)為儲能裝置充、放電功率；Pchmax和Pdismax分別為儲能裝置最大充、放電功率；E(t)為儲能裝置實際容量；Emax為儲能裝置最大儲能量。

由于CCHP型系統調度呈現周期性，因此，儲能裝置應在調度周期內初始和結束時刻保持一致[15]，即應滿足：

E(1)=E(24)

(21)

2.3 優化求解

所建含混合儲能的CCHP系統優化調度模型為混合整數非線性規劃問題其一般形式如式(22)，故采用MATLAB調用Cplex求解器進行求解。

minf(x,y)

s.tg(x,y)=0

h(x,y)≥0

(22)

式(22)中：f(x,y)為目標函數；g(x,y)為等式約束；h(x,y)為不等式約束。

3 算例分析

3.1 算例概況

選取某辦公樓為分析對象，主要設備參數見表1，根據該地負荷需求將一年劃分為夏季(5—8月)、冬季(11—2月)和過渡季(3—4月、9—10月)，典型日的天數分別為122、121、122 d；典型日負荷曲線[7]如圖2所示，單位時間間隔為1 h，調度周期為1 d。采用上海市分時電價，電價和天然氣價格如表2所示，天然氣價格折合單位熱值為0.36元/(kW·h)。

表1 設備參數

表2 分時電價和天然氣價

注：峰時即6:00—22:00；谷時即0：00—6:00、22:00—24：00。

3.2 混合儲能容量配置分析

由于CCHP系統優化調度呈現周期性，因此在初始和結束時刻，儲能容量應保持一致[15]。因此，在此選取初始容量為100 kW。

3.2.1 能源性指標

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統年一次能源消耗系數如圖3所示，儲能容量為0 kW時，“以熱定電”運行模式優于“以電定熱”；“以電定熱”運行模式下，一次能源消耗系數同儲能容量成正比，“以熱定電”運行模式成反比；當儲能容量大于等于1 500 kW時，“以熱定電”運行模式下一次能源消耗系數不再變化，“以電定熱”則一直增加。

圖2 典型日負荷預測曲線

圖3 能源性指標

3.2.2 經濟性指標

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統年運行成本如圖4所示，儲能可有效減少系統運行成本且“以電定熱”運行模式優于“以熱定電”；儲能容量取1 500 kW時，“以熱定電”運行模式下，系統年運行成本不在變化，“以電定熱”則一直減少。

圖4 經濟性指標

基于生命周期法由表1可得，單位容量的混合儲能投資成本和維護成本為106元/年。考慮初期投資成本和維護成本的含儲能CCHP系統綜合成本如表3所示，“以熱定電”運行模式下，儲能容量取1 000 kW左右時，系統綜合成本最低。

表3 綜合成本

3.2.3 環境性指標

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統年二氧化碳排放量如圖5所示，儲能容量為0 kW時，“以熱定電”運行模式優于“以電定熱”；“以電定熱”運行模式下，二氧化碳排放量同儲能容量成正比，“以熱定電”運行模式成反比；當儲能容量大于1 500 kW時，“以熱定電”二氧化碳排放量不在變化，“以電定熱”則一直增加。

圖5 環境性指標

圖6 能源性指標

3.3 初始容量配置分析

選取儲能容量為1 000 kW，分析初始容量配置對CCHP系統優化運行的影響。

3.3.1 能源性指標

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統年一次能源消耗系數如圖6所示，“以熱定電”運行模式優于“以電定熱”；“以熱定電”運行模式下，當初始容量取300 kW左右，一次能源消耗系數最低，“以電定熱”運行模式下系統一次能源消耗系數與初始容量成正比。

3.3.2 經濟性指標

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統運行成本如圖7所示，“以電定熱”運行模式優于“以熱定電”；“以熱定電”運行模式下初始容量取300 kW左右時，系統運行成本最低，“以電定熱”運行模式，系統運行成本與初始容量成正比。

圖7 經濟性指標

3.3.3 環境性指標

不同運行策略含混合儲能的CCHP系統年二氧化碳排放量如圖8所示，“以熱定電”運行模式優于“以電定熱”；初始容量取300 kW左右，系統“以熱定電”運行模式下二氧化碳排放量最低，“以電定熱”運行模式下同二氧化碳排放量與初始容量成正比。

圖8 環境性指標

4 結論與展望

以含混合儲能的CCHP系統為研究對象，分析儲能容量配置對系統綜合效益及運行策略的影響，得出以下結論。

(1)儲能裝置雖可以減少系統運行成本，但由于其相對高額的投資成本和維護成本，“以電定熱”運行模式下并不能減少系統綜合成本，“以熱定電”運行模式下，當儲能容量取1 000 kW左右時，系統綜合成本最優。

(2)“以熱定電”運行模式下，儲能裝置可以有效減少系統一次能源消耗和二氧化碳排放，當容量大于等于1 500 kW時最優且不在變化。

(3)“以電定熱”運行模式下，系統能源性、經濟性、環境性指標與初始容量成正比，對比“以熱定電”運行模式，初始容量取300 kW左右時最優。